TCS3000 控制系统模件国产化应用探析

杨 欣，苏立博，马文轩，容茂成，李 剑

（河北华电石家庄裕华热电有限公司，河北 石家庄 051430）

电力系统是国家的重要能源基础设施。作为电力系统的神经和大脑，电力自动化控制系统的安全性与可靠性直接影响着一个国家电力系统的安全稳定运行。在电厂分散控制系统DCS 领域，知名的国外制造商有艾默生、西门子、ABB 等，国内主流的DCS 厂家主要有国电南自、国电智深、和利时、浙大中控等。经过多年的引进消化吸收和再开发，目前，国产DCS产品与进口品牌的DCS 产品在技术水平和市场份额上旗鼓相当。

近十几年来，中国开始加大对核心芯片、大型操作系统和基础软件等的研发投入，取得了一系列成果，研制的产品在核心领域得到了应用。在电力行业，对于DCS 的硬件系统，国产飞腾、龙芯等CPU 已被应用于DCS 过程控制站、PLC 和I/O 模件当中，但元器件国产化率尚处于较低的水平。因此，探究控制系统模件国产化是非常有意义的。

1 TCS3000 型DCS 产品概述

在多年研发国外及国内10 余种先进DCS 生产技术的基础上，凝聚了20 余年的传统自动化制造流程及成熟的热控制与机械电气的系统工程经验，同时根据传统制造流程自动化需求特性，整合了各种最先进的信息技术与通信网络潮流等技术，并最新推出了富有创新特点的新型仪电式分散控制器。系统主要适用于大中小型发电厂和工矿企业的智能化管理应用。

对于电厂，基于TCS3000 控制系统，就可以很简单地完成现代发电机炉、机、电、辅全厂一体控制系统，而全厂一体控制器也是对DCS 运用产业的又一次巨大革命，针对生产现场日益增加的监控要求，日新月异的IT 技术和互联网技术技术、先进电子设备和相对低廉的投入费用，就已经完全具备催生现代工厂炉机辅全厂一体控制器的条件。控制系统一体化建设给发电厂所可能带来的经济效益不可估量，毫无疑问，尽早发展、及早应用，就能尽早获利。

通过仪电一体化的DCS 控制系统，先后通过控制器及I/O 模件实现了对现场信号量的信息收集，并通过DCS 的交流电测量与通迅模件，实现了对交流电量信息的处理。将相对独立的电力保障专用设备作为第三方设备与专用DCS 通迅模件进行通迅[1]，或直接通过组态软件系统搭设的保障控制功能，所形成了现代发电企业炉机辅一体化计算机网络管理系统，真正地做到了总线级的热控和电气一体发电厂的工业生产流程自动化监控。

2 目的理论和实践依据

2.1 研究内容原理简述

DCS 系统整体结构如图1 所示。本项目研究内容主要是国产化I/O 模件。拟采用飞腾新一代FT1500/4或FT2000/4 处理器，I/O 模件元器件采用国产知名品牌产品[2]。

图1 大型分散控制系统整体结构图

2.2 研究内容实践依据

2.2.1 DPU、I/O 模件

国电南自下属南京国电南自维美德自动化有限公司已率先实现了max 系列控制系统的国产化，解决了指令集迁移、I/O 总线通讯等一系列问题，攻克了安全过程控制站、多主站并发通信系统、DCS 信息安全构架方案等一系列硬件设计和软件开发难题，实现了控制站的核心CPU 国产化、软件操作系统国产化，所有软件代码全部安全自主可控。这就为TCS3000 控制系统模件国产化提供了强有力的思路。

2.2.2 电源模件

电源模件作为必不可少的一部分，在TCS3000 控制系统中发挥着重要的作用。因此，电源模件国产化也是需要解决的问题之一。其达到的效果需要有：光纤分相电流纵差防护，三段可经复压和双方向闭合的越流防护，三段零序越流防护，越流加快防护或者零序加快防护（零序电压可自产也可外加），过负载控制功能（告警或跳闸），低周减载功用，三相的一个重合闸，小电流连接选线功用（需要使用外加零序电压），大电压闭合功用，出口组态功用，单独的操作电源回路。

3 项目研究的关键点和难点

3.1 基于安全可控国产I/O 模件的运行稳定性

目前的I/O 模件均基于国外CPU 设计，其生态系统经过几十年的发展已经相当成熟，无论是CPU 本身，还是相关的外围硬件电路以及配套的固件/软件均有成熟可用的方案，且能提供快速全面的技术支持，也易于从公开的网站上获得相关的知识。国产CPU 由于起步较晚，硬件可靠性、CPU 能力、外围配套电路等方面均无法与国外CPU 相比，另外，本项目采用的飞腾处理器投入实际机组运行不到半年时间，运行稳定性的评估还需较多时间进行[3]。I/O 模件的元器件国产化替代，研制过程中要对国产电子元器件的性能参数和稳定性进行详细的对比、测试以及验证，采用逐步替代方法实现。

3.2 在线组态修改和下载功能

一般来说，TCS3000 控制器都应该可以完成在机组内正常工作流程中的在线组态更改和下载等功能，因此不管是进口TCS3000 控制器，还是国产TCS3000控制器都应当具备此项功能。不过考虑到控制系统的稳定性运行，进口TCS3000 控制器通常都不能进行该操作，而且在强制下执行此项功能会发生单元状态异常的现象，因为国内TCS3000 控制技术相对来说还不太完善，而且国产TCS3000 控制器也并不具备此项功能，不建议在执行期前进行设置的重设或者更改。再者，从系统管理角度来讲，在运行期内进行设置的更改或者数据的下载也是很不安全的，所以对于此项功能，还需要如何进行和创新是TCS3000 控制国产化必须突破的一个难点。

4 研究内容

4.1 控制系统模件性能

检验控制系统模件国产化硬件的能力，包括运行稳定性、抗干扰能力、卡件操作可维护性是否符合相关规程要求，国产化可控可替代I/O 模件的运行稳定性符合相关规程要求，硬件环境温度、湿度、振动、抗干扰能力满足相关规程要求。

4.2 系统兼容稳定运行

国产化控制系统模件在实际工程项目中运用情况，从终端的I/O 模件的数据采集，到过程控制器的数据处理，传递到DCS 监控平台的稳定性、及时性，准确性。

4.3 改造技术思路

本项目总体思路是TCS3000 控制系统模件国产化的研发及应用。实现核心硬件国产化，外围芯片可控可替代，TCS3000 控制系统模件国产化率达到100%。

4.4 TCS3000 控制系统配置和功能

综合考量了上述各种因素，TCS3000 系统的结构可以是多层分布式的，并且全部支撑异构平台，实现了高效安全的控制核心、能力强劲的配置开发工具、使用简单的应用页面、众多规范的用户界面以及贴近水电站使用要求的各类常规和高级应用功能，是相当完善而富有实践使用经验的控制软件；具有人机界面设计良好、动态连接特性好、数据处理简单快捷、通信能力强大等优势；具备了相应的可延伸性和操作系统移植功能，可以很方便地实现二次开发和系统维护。一般系统应用管理软体主要由数据收集和处理软件、实时数据库管理系统软件、人机接口应用软件、连接信息管理应用系统软体、设备驱动应用软件、网络通信管理软体、历史数据库管理软体、系统高级应用软件（AGC、AVC、PJC、双机切换处理）等组成。系统主要设备由集线器（数据交换站）以及操作员站、工程师站、历史站、控制单元DPU、网络打印单元等各节点构成，网络由高速-高效、冗余-容错的实时环网（R-Net）和高速信息网（I-Net）组成[4]。主要承担系统各部件组成的质量管理，并对全厂主要生产装置实施质量监测与管理，主要具有如下功能。

4.4.1 数据采集和处理

控制系统通过巡回收集有关工业生产过程的即时信息，进行更新数据库，对在工业生产过程中发生的重大事件和报警信号采用中断响应管理，并启动了相关的管理功能。

4.4.2 安全运行监视

对全厂主要装置的工作状况和操作参数实施了巡回监测、越限告警、态势解析、事件追忆和显示记录。包含了状变（状态变化）监视、越限检测、过程监测、趋势分析等，具体如下。

状变监视：自发状变与受控状变，当出现这2 个状变时，就可以进行显示和打印。

越限检测：在主控级，一般进行机组三相电流的不均匀度过大、速度偏高、上池和下池的水位/过低、其余技术参数越限检测以及进行现地监控单元的越限报警信号。

过程监测：监控机组各种运行工况的变化过程以及所经历的各种主要操作步骤。

趋势分析：通过分析发电机组运营参数的变动，及时发现故障征兆，以增强发电机组运营的稳定性。

4.4.3 自动发电控制（AGC）

按照中调EMS 主站控制系统或中控室运行员对站规定的最大发电输出功率范围所做出的电力负荷曲线，按照安全性、可靠性、经济效益的原则决定了最优化运营的发电机组台数、发电机的组合方案以及发电机组间最佳有功功率分配，负载分摊时要兼顾发电机组运营的控制要求，并避免发电机组震动和空蚀区，以实现对电厂机组运行输送出力的闭环调度。

4.4.4 自动电压控制（AVC）

按照确定的母接通电压上限值，中调EMS 按照主站管理系统或中控室操作员站所给出的全站无功电量或压力曲线和运行控制要求，并充分考虑发电机组的约束，合理分摊发电机组之间的无功电量控制。

4.4.5 事件顺序记录

当电站出现事故时，由现地的监控单元采集继电保护系统、自动装置和电厂内主要装置的状态变量并上送主控级，然后进行按事故顺序排列、展示、印刷，并保存记载。所有重大事件的记载和打印需包括节点名称、状变说明和时标。

4.4.6 打印记录功能

包括定期自动打印录入、系统运行记载、报告记载、趋势数据分析记载、召唤自动打印录入等主要功能。

4.4.7 系统时钟同步

控制系统各装置均接收了全站内统一的GPS 时钟同步信号，以保证整个控制系统的时刻同步。

4.4.8 系统自诊断和自恢复

系统还具有自诊断能力，当在线操作时，系统内的硬件和软件可以实现自我检测，在系统故障后，可以提示故障部位。

5 结语

综上所述，电力系统是国家的重要能源基础设施。作为国家电力系统的中枢神经与大脑，国家电力自动化控制系统的安全和可靠性直接影响着一个国家供电系统的安全与平稳运转。所以，为确保电力系统的安全与稳定性，对控制系统模件国产化是非常有必要的。本文分析了TCS3000 控制系统模件的必要性、原理、难点以及研究内容，希望能对TCS3000 控制系统模件国产化提供一些有效信息。